高频电子技术（第五版）课件 项目五 正弦波振荡器的制作

高频电子技术（第五版）项目五正弦波振荡器的制作05PROJECT学习目标项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）知识目标▪了解反馈式振荡器的工作原理。▪了解石英晶体振荡器的工作原理。▪掌握三点式正弦波振荡器的工作原理及种类。能力目标▪能够分析XR2206信号发生器电路图原理。▪能够对熟练运用XR2206芯片，能够运用方法对芯片进行检测及质量判别。▪学会XR2206信号发生器硬件的安装与调试。▪了解XR2206信号发生器的测试方法，能对XR2206信号发生器的故障进行检修。素质目标▪培养热爱劳动的意识。▪培养工匠精神，具有专注、精准做事和创新精神。▪培养团队合作能力，提高交流协调方面的素质。▪激发学生的学习兴趣和内生动力。本项目内容项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）015.1项目引入025.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路035.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理045.4知识链接二LC正弦波振荡器055.5知识链接三石英晶体振荡器065.6技能实训XR2206信号发生器的设计制作15.1项目引入项目五·正弦波振荡器的制作5.1项目引入项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）正弦波振荡器主要用于生成高频载波信号，是信号调制与解调的基础。本项目以函数信号发生器为载体，实现了振荡器的正弦波输出、方波输出以及三角波输出，能够为后续更加复杂的高精度高频振荡电路设计奠定理论与实践基础，能够拓宽电路设计思路，培养创新思维和实践能力。25.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五·正弦波振荡器的制作5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）试一试学习情境一LC正弦波振荡器一、仿真目的1.掌握正弦波振荡器的基本组成、起振条件和平衡条件。2.掌握三点式正弦波振荡器电路的基本原理，会计算反馈系数和振荡频率。3.了解互感反馈式振荡器、各种三点式振荡器的特性及优缺点。二、仿真电路如图5-1所示为LC正弦波振荡器电路图。5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-1LC正弦波振荡器电路图5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-2、图5-3所示分别为LC正弦波振荡器振荡频率显示图和LC正弦波振荡器电路波形图。图5-2LC正弦波振荡器振荡频率显示图

图5-3LC正弦波振荡器电路波形图5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）三、测试内容1.测试振荡器中各元器件的作用，即短路(或开路)该元器件，观察振荡器的工作情况。2.进行LC正弦波振荡器波段工作研究，即测试振荡器在多宽的频率范围内能平稳工作。3.研究LC正弦波振荡器的静态工作点、反馈系数以及负载对振荡器的影响。4.测试LC正弦波振荡器的频率稳定度，即研究电源电压和负载变化对振荡器频率稳定度的影响。5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.研究外界条件(电源电压、负载变化)对振荡器频率稳定度的影响。3.比较LC振荡器与晶体振荡器的频率稳定度。二、仿真电路如图5-4所示为石英晶体振荡器电路图。提示：晶体不需要外接负载电容(因负载电容和晶体组成一个模块)。试一试学习情境二石英晶体振荡器一、仿真目的1.掌握晶体振荡器的基本工作原理。如图5-5、图5-6所示分别为石英晶体振荡器振荡频率显示图和石英晶体振荡器电路波形图。5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-4石英晶体振荡器电路图5.2学习情境用Multisim仿真测试振荡电路项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-5石英晶体振荡器振荡频率显示图

图5-6石英晶体振荡器电路波形图三、测试内容1.熟悉振荡器中各元器件的作用。2.在直流电源上叠加微变交流电压，观察振荡器的频率稳定度。3.改变C4电容值、改变反馈系数观察振荡器的情况。35.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五·正弦波振荡器的制作5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）读一读振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于这种转换电路不需要外加激励信号，就能自行产生具有一定频率、波形和振幅的交流信号。根据所产生的波形不同，可将振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波；后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。正弦波振荡器在电子技术领域中应用广泛。例如在无线发送设备中，用正弦波振荡器产生运载信息的载波；在超外差式接收机中，产生接收信号变频或解调时所需的本地振荡信号；在电子测量仪器中，产生正弦波的基准信号源等。常用的正弦波振荡器一类是“反馈式振荡器”，主要有LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波，RC振荡器用于产生低频正弦波。另一类是“负阻式振荡器”，它是利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波的，主要用于微波通信领域。正弦波振荡器的主要技术指标是频率的准确度、稳定度和振幅的稳定度。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）学一学一、振荡器的组成任何一种反馈式正弦波振荡器，至少应包括以下三个组成部分。(1)放大电路。自激振荡器不但要对外输出功率，而且还要通过反馈网络，供给自身的输入激励信号功率。因此，必须有功率增益。当然，能量的来源与放大器一样，是由直流电源供给的。(2)反馈、选频网络。自激振荡器必须工作在某一固定的频率上。一般在放大器的输出端接有一个决定频率的网络，即只有在指定的频率上，通过输出网络及反馈网络，才有闭环360°相移的正反馈，其他频率不满足正反馈的条件。(3)稳幅环节。自激振荡器必须能自行起振，即在接通电源后，振荡器能从最初的暂态过渡到最后的稳态，并且波形保持一定的幅度。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）正弦波振荡器的组成方框图如图5-7所示。图中Xo为输出正弦波电压，Xf为反馈网络形成的反馈电压，也就是放大电路的输入电压。图5-7正弦波振荡器组成方框图5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）在高频电子技术中主要通过以下三个指标来衡量高频振荡电路的优劣。(1)振荡频率。高频电子技术研究无线电波的产生、发送、变换和接收，所涉及的振荡频率都比较高，例如在获得广泛应用的甚高频至特高频频段，无线电波的频率在30MHz至3GHz之间。某种振荡电路能否获得应用，取决于这个电路能否产生如此高频率的正弦波，因此振荡频率自然就成为高频振荡电路的重要特性指标。(2)振荡频率的稳定性。无线收发系统对振荡频率的稳定性有很高的要求。一个振荡电路的频率稳定性可以用一定温度范围内频率的相对变化量来表示，也可以用振荡频率的温度系数来表示。(3)振荡频率的可调节性。无线通信时，收发电路的频率必须相等才能有较好的通信效果。在生产时却很难做到这一点，完全相同的设计图纸所生产出来的发射或接收电路的频率也可能有较大的差异。如果振荡电路的频率可以通过某个元器件，例如可变电容来调节，发射电路和接收电路频率相等就很容易实现了。因此，一个振荡电路的频率是否可调，频率的调节是否方便也成为高频振荡电路的重要指标之一。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）二、振荡器的平衡条件和起振条件首先，假定振荡已经建立，下面研究电路应满足什么条件，才能维持振荡，即振荡器的平衡条件。如图5-7所示的方框图中，用A表示放大电路的放大倍数，用F表示反馈网络的反馈系数，Xo表示输出电压，Xf表示反馈电压，也是放大电路的输入电压。根据电路的放大倍数的定义，在达到稳定后(即振荡电路有稳定的输出电压Xo)，有放大器

反馈网络

5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）将式(5-2)代入式(5-1)，可得

上式称为正弦波振荡器的平衡条件，表明正弦波振荡电路形成稳定输出后，放大电路的放大倍数和反馈网络的反馈系数的乘积等于1。式(5-3)是相量式，它包含两层意思，其一，式(5-3)两边的模应该相等，即振荡电路的幅值平衡条件为：

其二，式(5-3)两边的相位也应该相等，因此放大倍数的相位φA(即放大电路输出电压与输入电压之间的相位差)和反馈系数的相位φF(即反馈电压与放大电路输出电压之间的相位差)之和应等于2π的整数倍，即振荡电路的相位平衡条件为：

5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）幅值平衡条件式(4-4)表明，假如振荡电路已经有一个稳定的输出，只要满足平衡条件式(5-4)，振荡电路就能维持该输出不变。现在的问题是振荡电路接通电源以前以及接通电源的瞬间，其输出为零，过了一段时间之后输出电压才达到稳定值，输出电压从零变化到稳定值显然有一个逐渐升高的过程，这个过程称为振荡电路的起振。起振过程中，输出电压不断升高，这时反馈系数和放大倍数幅值的乘积就不能等于1，而应该大于1，即

否则振荡电路输出电压就不可能逐渐变大。起振时应满足的式(5-6)称为振荡电路的起振条件。由电阻、电容和电感组成的反馈网络没有放大功能，因此反馈系数F的幅值一定小于1，根据式(5-6)，放大倍数A的幅值就一定要大于1。例如，一个振荡电路F的值等于1/3，该电路的放大倍数A就应该大于3。不同的振荡电路，反馈系数大小不等，所要求的放大电路的放大倍数也不同，因此就有不同的起振条件。下面分析振荡器起振条件。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）振荡电路起振后输出电压不断增大，由于放大电路的非线性，这种增大的趋势不会一直持续下去，输出幅度增加到一定程度时，放大倍数开始减小，输出的增加就受到抑制，直到满足式(5-4)后，输出维持稳定。三、振荡的稳定条件1.振幅稳定条件在实际振荡电路中，不可避免地存在各种电的扰动，如电源电压、温度等外界因素的变化引起三极管和回路参数变化等。当振荡器达到平衡状态后，上述原因均可能破坏平衡条件，使电路频率发生变化或自激、停振等。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-8所示为电压增益Au-Ube曲线图。图中Au为放大器电压增益，1/Fu为反馈系数的倒数。由于反馈系数与输入电压Ube的大小无关，所以在图中1/Fu为一平行于横轴的直线。图5-8电压增益A_{u}-U_{be}曲线图当Ube较小时，随着Ube的增大，Au逐渐增大，这时晶体管工作在甲类状态；达到最大值后，Au又将随Ube的增大而减小，此时晶体管工作在乙类状态。Au曲线与1/Fu直线有两个交点:Q'和Q点。在两个交点处，Au·Fu=1，都是平衡点。在Q'点处，若Ube增大，Au增大，Au·Fu>1，振荡越来越强。反之，若Ube减小，Au减小，Au·Fu<1，振荡减弱。因此，Q'是不稳定平衡点。在Q点处，若Ube增大，Au减小，Au·Fu<1，于是振荡振幅减弱，又回到Q点；若Ube减小，Au增大，这时Au·Fu>1，于是振荡振幅自动增大，又回到Q点。因此，Q点是稳定平衡点。所以振幅稳定的条件是:在稳定平衡点附近，随着Ube的增加，Au减小。或者说，Au对Ube的斜率是一负值。从以上分析可知，起振时Ube应大于Q'点对应的横坐标，这样才能起振，并将稳定平衡点建立在稳定的Q点。5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.相位稳定条件由于电路中存在扰动，暂时破坏了相位平衡条件，即∑φ≠2nπ，使振荡频率发生变化，当扰动离去后，振荡频率还能否回到原来的稳定平衡点?图5-9两种相频特性曲线5.3知识链接一反馈式振荡器的工作原理项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-9所示为两种相频特性曲线。图5-9(a)中的曲线。设原来的振荡频率为f01，由于外界干扰而引入+Δφh时，频率提高到f02，频率的变化量为Δf0。此频率变化量通过其负载的相频特性引起的相位变化量为+Δφ。由此可见，相移变化的趋势将加剧，而不是减弱，这势必引起振荡的相位平衡被破坏，因此不是稳定平衡。图5-9(b)中的曲线，频率的变化量Δf0，通过负载的相频特性，引起的相位变化量为-Δφ，它与+Δφh符号相反，可以互相补偿，如果补偿的结果使+Δφh+(-Δφ)=0，就达到了新的平衡点，即频率稳定在新的振荡频率f02处。因此，当相频特性的形状如图5-9(b)所示时，受到扰动后振荡将在原来的平衡点附近重新达到平衡。相位的稳定条件是：随着频率的提高，相位减小。或者说，相频特性的斜率是负值。45.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五·正弦波振荡器的制作5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）一、互感反馈式振荡器如图5-10所示为互感反馈式振荡器。图中反馈电压通过电感L1和L2的互感耦合经电容到基极，反馈的极性取决于两个互感绕组的方向，图中黑点表示两个电感线圈的同名端，按图中所示的绕组方向所形成的为正反馈，可用瞬时极性判别法验证如下:假设初始时刻基极电压极性为正，则集电极电压极性为负，经L1和L2的互感耦合，在L2中形成反馈电压，按照“同名端同极性”的原则，反馈电压极性下负上正，耦合到基极的电压极性为正，与原极性相同，因此形成正反馈。图5-10互感反馈式振荡器5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）互感反馈式振荡器的频率近似等于C1、L1并联谐振回路的谐振频率:

互感反馈式振荡器容易起振，输出电压幅度较大，结构简单，调节频率方便，且调节频率时输出电压变化不大。因此在一般广播收音机中常用作本地振荡器。但是工作在高频段时，分布电容影响较大，输出波形含有杂波，频率稳定性也差，因此，在高频段很少采用。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）二、三点式振荡器的工作原理三点式振荡器是指晶体管的三个电极分别与LC谐振回路的三个端点连接组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电感耦合或电容耦合代替互感耦合，可以克服互感耦合工作频率低的缺点，是一种应用广泛的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百兆赫。三点式振荡器的电路原理图如图5-11所示。LC谐振回路中的三个电抗元件分别应具有什么性质，才能满足正反馈的相位条件而使振荡器工作呢?图5-11三点式振荡器的电路原理图5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）设LC谐振回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为Xbe、Xce和Xcb，忽略晶体管的输入与输出电抗效应。则当LC回路谐振时，回路呈纯电阻性质，有：

LC回路中，Xbe两端的电压是反馈电压，用Uf表示。由于Uf是Uc在Xbe、Xcb支路中Xbe上的分压，所以有

5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）根据三极管放大器极性的判断，输出电压Uc与输入电压Ui相位差为π，要满足正反馈的相位条件，Uc与Uf应反相，所以Xbe

Xce即Xbe、Xce

必须是同性质的电抗，而Xcb必须与Xbe、Xce性质相反。若Xbe、Xce为电容，则Xcb为电感，构成电容三点式振荡器，如图5-12(a)所示；若Xbe、Xce为电感，则Xcb为电容，构成电感三点式振荡器，如图5-12(b)所示。图5-12电容和电感三点式振荡器5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）例4-1振荡器电路如图5-13(a)所示，试画出其交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么类型的振荡器?图5-13振荡器电路及其等效电路5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）解:(1)根据画交流等效电路的原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图5-13(b)所示。(2)根据交流等效电路可知，因Xbe为容性电抗，为了满足三点式振荡器的相位平衡条件，Xce也必须为容性，且Xcb应为感性。根据任务2并联谐振回路的相频特性，设并联回路L1C1、L3C3的固有频率分别为f1、f3，当振荡频率f0>f1时，回路L1C1呈容性；当f0<f3时，回路L3C3呈感性，即f1<f0<f3时，振荡器电路才能振荡，等效为电容三点式振荡电路，其条件可写为

即L1C1>L3C35.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）学一学三、电感三点式振荡器(Hartley)如图5-14所示为电感三点式振荡器及其等效电路。图5-14(a)中，L1、L2和C组成LC并联谐振回路，作为集电极交流负载；电阻Rb1、Rb2、Re起直流偏置作用；Cb、Cc为隔直电容，Ce为旁路电容。图5-14(b)是其交流等效电路。图5-14电感三点式振荡器及其等效电路5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）振荡器的振荡频率可近似用并联谐振回路的谐振频率来表示，即

式中，若电感L1和L2存在互感，则用L=L1+L2+2M来表示，M为L1、L2间的互感量；若L1和L2互相屏蔽不存在互感，则L=L1+L2。电感三点式振荡器的优点是容易起振，输出电压幅度较大，而且用一只可变电容器就可以方便地调整振荡频率，调整时不影响反馈，因此可以在较宽的频段内调整频率。缺点是反馈电压取自电感支路，对高次谐波阻抗大，振荡信号含有的谐波成分多，输出波形较差，因此振荡频率不宜很高，一般最高只能为几十兆赫。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-15(a)所示是电容三点式振荡器，又称考毕兹(Colpitts)振荡器，图中C1、C2是谐振回路电容，L是谐振回路电感，电阻Rb1、Rb2、Re起直流偏置作用，Cc、Cb分别为高频旁路电容和自给偏压电容。图5-15(b)是其交流等效电路。图5-15电容三点式振荡器及其等效电路四、电容三点式振荡器(Colpitts)5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）振荡器的振荡频率可近似用并联谐振回路的谐振频率来表示，即

式中，C为回路总电容

电容三点式振荡器的特点是输出波形好，振荡频率很高，可以达到100MHz以上。缺点是频率的调节不方便，通过电容C2的改变来调节振荡频率时，电容C1和C2间的比例随之变化，电路的起振条件也会受到影响。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）电容三点式振荡器是一种性能优良的振荡电路。但它有两个主要缺点:其一是频率调整范围窄；其二是振荡器的频率稳定性不好。为了克服这两个缺点，提出了改进型电容三点式振荡器。1.串联改进型电容三点式振荡器(Clapp)如图5-16(a)所示是串联改进型电容三点式振荡器，又称克拉泼(Clapp)振荡器，图4-16(b)是其交流等效电路。可以看出，此电路与普通电容三点式电路的区别仅仅是在b、c间的电感支路中串联一个小电容C3，这就是串联改进型电容三点式振荡器的命名原因。电路中，满足C3≪C1、C3≪C2时，C∑主要取决于C3。五、改进型电容三点式振荡器电路的总电容5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）

这种电路的总电容C∑≈C3，因此振荡频率f0为图5-16克拉泼振荡器及其交流等效电路电路的总电容为5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）

可见，Co和Ci对f0几乎没有影响。这是因为对于串联电路而言，小电容起主要作用，Co和Ci即使发生变化，对回路的影响也很小。因此，这种电路的晶体管与回路是弱耦合，频率稳定性较好。从通信系统的频率范围来看，波段振荡器要求在一定波段范围内频率可调，且振荡幅值保持不变。由于克拉泼电路在改变振荡频率时需调整C3，当C3改变时，晶体管c、e两端的负载阻抗将发生变化，使环路增益发生变化，从而使振荡幅值也发生变化。所以克拉泼电路克拉泼电路不适合用作波段振荡器。只适宜于作固定频率振荡器或波段覆盖系数较小的可变频率振荡器。所谓波段覆盖系数是指振荡器可以在一定波段范围内连续振荡的最高工作频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段覆盖系数为1.2~1.3。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.并联改进型电容三点式振荡器(Seiler)并联改进型电容三点式振荡器，又称西勒(Seiler)振荡器。图5-17(a)是其电路原理图，图5-17(b)是其交流等效电路。由图可见，西勒电路是在克拉泼电路的基础上，在电感L两端并联了一个电容C4，因此称为并联改进型电路。电路中，元件取值满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，因此晶体管与回路之间耦合较弱，频率稳定性好。在一些短波通信机中，常选可变电容C4为20~360pF，而C3为一二百皮法，用于微调振荡频率。图5-17西勒振荡器及其交流等效电路5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）从图5-17可以看出，回路总电容C∑的计算公式为

振荡频率的计算公式为由于西勒电路的振荡频率高，频率稳定性好，波形好，振幅平稳，频率覆盖范围较大，其波段覆盖系数为1.6~1.8，因此应用广泛。

5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-18高频头本机振荡器电路1.高频头本振电路如图5-18所示是松下TC-183型彩色电视机甚高频电调谐高频头中本机振荡器电路，它由分立元件组成。练一练六、LC振荡器电路识读5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）在高频头中，本机振荡器(本振)的作用是产生一个与输入电视图像载频相差一个中频(38MHz)的高频正弦波信号。甚高频电视频道范围为1~12频道，其中1~5频道(L频段)图像载频为49.75~85.25MHz，6~12频道(H频段)图像载频为168.25~216.25MHz。图5-18中开关二极管D1受频段选择的控制。L频段时，BS=30V，BV=12V，D1反偏截止，交流等效电路如图5-19(a)所示。H频段时，BS=0V，BV=12V，D1导通，L2被短路(因2.2nF电容对高频信号短路)，交流等效电路如图5-19(b)所示。Cj1、Cj2是变容二极管，其电容量受电压BT、AFC控制。改变BT、AFC电压，就改变了Cj1、Cj2的电容量，也就改变了本振频率。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）由图5-19可见，图5-18所示电路是压控西勒电路。由于整个甚高频波段覆盖系数为4.2，数值较大，分成L和H两个频段后，波段覆盖系数均下降为1.7，正好在西勒电路的调整范围之内。图5-19本振交流等效电路5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.单边带频率合成电路。如图5-20所示为某单边带电台频率合成器中所用的55~65MHz压控振荡器实际电路，是由分立元件组成的。图5-2055~65MHz压控振荡器实际电路5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）将图5-20中的变容二极管等效为回路可变电容时，显然，该电路是西勒电路。为了获得纯净的频谱和稳定性好的振荡频率，振荡管应选用噪声系数低、特征频率较高和β较大的硅高频管。为了减小负载影响，采用了松耦合输出至射随器。两个变容二极管背靠背地串联，是为了使变容二极管的总电容不受偏置电压上叠加的交流信号的影响，从而减小了寄生调制。当然，这样连接的电路其压控也相应有所降低。为提高回路Q值，回路电感线圈采用镍锌磁芯，使其在工作频率下的空载Q值在200以上。C6、L3、C10组成π型电源去耦滤波电路，目的是防止其他电路的噪声干扰经电源串入而产生寄生调制。5.4知识链接二LC正弦波振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-21变容二极管扫频振荡器电路3.扫频振荡器电路。如图5-21所示为BT-4型低频频率特性测试仪中的变容二极管扫频振荡器电路。这是一个串联改进型电容三点式振荡器(Clapp)电路，振荡频率由L1与C4、C5及两个变容二极管共同决定。锯齿波电压通过R6加至变容二极管两端，以控制变容二极管电容的大小，从而使振荡频率随锯齿波电压改变。55.5知识链接三石英晶体振荡器项目五·正弦波振荡器的制作5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）读一读LC振荡电路的优点是振荡频率较高，可以在100MHz以上，缺点是频率稳定性不好，即使采取稳频措施后，频率稳定度也只能达到10-5。在需要频率稳定性更好的场合，一般采用石英晶体作谐振回路的元件，并称这种振荡器为石英晶体振荡器。由石英晶体组成的正弦波振荡电路，频率稳定度可以为10-8~10-6，一些产品甚至可以为10-11~10-10，因此它广泛应用于要求频率稳定度高的设备中，例如，标准频率发生器、脉冲计数器和电子计算机的时钟信号发生器等。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）1.石英晶体的结构将二氧化硅晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再在晶片的两个表面涂覆银层并作为两极引出管脚，加以封装，即成为石英晶体振荡器，简称石英晶体。石英晶体已经制成各种规格的产品。石英晶体的结构、电路符号及产品外形如图5-22所示，其中图5-22(a)是石英晶体的结构，图5-22(b)是电路符号，图5-22(c)是几种产品的外形。图5-22石英晶体振荡器结构、电路符号及产品外形学一学一、石英晶体的基本特性与等效电路5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.压电效应及等效电路。石英晶片之所以能制成振荡器，是因为它具有压电效应和反压电效应。当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之，当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸长。因此，当石英晶体振荡器两端加上高频交流电压时，如图5-23(a)所示，晶片将随交流信号的变化而产生机械振动。晶片本身有一固有的机械振动频率，频率的高低取决于晶片的几何尺寸、形状和切割方位，若外加高频交流信号频率与晶片固有机械振动频率相等，则产生谐振，此时机械振动最强，外电路高频电流i也最大。如图5-23(b)所示为石英晶体振荡器的等效电路。图中Lq为动态电感，Cq为动态电容，rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗阻抗。实际上，石英晶片两面覆了银层，并固定在安装架上，因此即使晶片不振动，仍然有一个静态电容C0存在。C0是以晶体作为电介质的静电容，其容值一般为几皮法至几十皮法。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）石英晶体振荡器的等效电抗与频率的关系曲线如图5-23(c)所示，石英晶体振荡器有两个谐振频率fs和fp。当频率很低时，感抗接近于零，而容抗增大，等效电路为Cq与C0并联，等效电路呈容性。当f=fs时，Lq—Cq支路发生串联谐振，X=0；当f=fp时，发生并联谐振，此时X→∞；当f>fp时，等效电路呈容性。由图5-23(c)可见，在fs和fp之间的频率范围石英晶体振荡器等效为电感，而在f<fs或f>fp的频率范围等效为电容。图5-23石英晶体振荡器5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）由图5-23(b)可求得石英晶体串联谐振频率fs和并联谐振频率fp

5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）1.并联型晶体振荡器如图5-24(a)所示为并联型晶体振荡电路的一种电路形式，又称为皮尔斯(Pierce)振荡电路。图5-24(a)中Lb为高频扼流圈，Cb为旁路电容。石英晶体接在集电极与基极之间，和C1、C2构成回路，类似于电容三点式振荡电路。图5-24(b)是其等效电路。图5-24皮尔斯振荡电路二、石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器中，用晶体置换电路的电感元件，晶振工作频率在fs和fp之间；在串联型晶体振荡器中，振荡器工作在串联谐振频率fs上，晶体呈低阻抗起选频短路作用。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-25(a)所示为并联型晶体振荡电路的另一种电路形式，又称为密勒(Miller)振荡电路。图5-25(b)是其等效电路。图5-25(a)中石英晶体接在晶体管的b、e之间，它等效为一个电感元件Le。由于晶体管的集电极电路中有并联回路L1C1，故该电路属于双谐振回路振荡器。由三点式振荡器的工作原理可知，L1C1回路应呈感性，因此L1C1的谐振频率应略高于振荡器的工作频率。从等效电路可以看出，此电路是电感三点式振荡电路。由于输出回路中接有L1C1谐振回路，故输出波形较好。此外可变电容C1还可用来调节振荡幅度。图5-25密勒振荡电路5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.串联型晶体振荡器如图5-26所示为串联型非正弦波晶体振荡器。图中，V1和V2组成两级共射放大器，石英晶体振荡器X1和电容CL构成正反馈网络。当发生串联谐振时，串联阻抗最小，正反馈最强。由于串联回路的等效Q值很高，所以振荡频率很稳定。该电路选取不同的晶体，可产生工作频率在几十千赫到几百千赫的方波信号。图5-26串联型非正弦波晶体振荡器5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-27(a)所示为串联型正弦波晶体振荡器电路原理图，图5-27(b)是它的等效电路。这是一种电容三点式振荡电路，电容C3与C1、C2并联电路的中间抽头是经过石英晶体振荡器接在晶体管发射极的，构成了正反馈通路。C1和C2并联，再与C3串联，并与L组成振荡回路。该振荡器振荡频率较高。图中的晶体为1MHz，改变电路参数(L、C3和发射极电阻Re的数值)可使振荡频率高达几十兆赫。图5-27串联型正弦波晶体振荡器5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）3.泛音晶体振荡器。石英晶体振荡器频率越高，所用的石英晶片越薄。频率很高时，晶片太薄，会使加工变得困难，且机械强度差，容易震碎。因此一般晶体振荡频率最高不超过25MHz，为了获得更高的振荡频率，可采用泛音晶体振荡器。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）如图5-28(a)所示是一种并联型泛音晶体振荡电路。如果电路的振荡频率是基频的5次泛音，L1C1回路就应调谐在3次和5次泛音之间。这样，当频率低于L1C1并联谐振频率时，由图5-28(b)可见，L1C1回路呈感性，不满足三点式振荡电路的相位平衡条件，所以不能产生振荡。而对于比5次泛音高的7次泛音及更高次泛音来说，L1C1回路呈容性，但等效容抗非常小，反馈系数太小，不满足振荡电路的起振条件，也不能产生振荡。若将L1C1回路调谐在5次和7次泛音之间，则该电路可以在7次泛音上产生振荡。图5-28并联型泛音晶体振荡电路5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）三、使用石英晶体振荡器的注意事项晶体振荡器具有很高的频率稳定性，但必须正确使用石英晶体振荡器，才能充分发挥它的稳频作用，若使用不当，不但达不到预期效果，还会损坏石英晶体振荡器。正确使用石英晶体振荡器必须注意下列事项:1.石英晶体出厂时外壳印有标称频率，这个频率一般介于串联谐振与并联谐振频率之间。当晶体工作于标称频率时，频率稳定性最好。标称频率是在石英晶体振荡器两端并联负载电容的条件下测得的，实际使用时负载电容必须符合规定的数值。为了保证晶振的稳定性和抵消电路中分布参数的影响，这个电容大都采用微调电容，以便调整。2.晶体振荡器中，晶体起等效电感的作用，可以从感性区接近串联谐振频率fs。容性区是不能使用的，因为石英晶片失效后静态电容(C0)还存在，电路仍可能满足振荡条件而振荡，但石英晶体已失去稳频作用。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）3.石英晶体振荡器的激励电平应在规定范围内。激励电平过大、过小都不符合规定，激励电平过大，石英晶体振荡器消耗的功率增加，晶体温度升高，石英晶片的老化效应和频率漂移增大，频率稳定性显著变差，甚至会因振动过强，导致晶片震碎；激励电平过小，将使振荡器输出很小，严重时，甚至不能维持正常振荡。4.由于石英晶体振荡器在一定的温度范围内才具有很好的频率稳定性。所以，当频率稳定性要求高时，应采用恒温设备。5.晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，当要求在波段中得到可供选择的多个频率时，就要求采取其他措施，如频率合成器。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图中发射极通过C6旁路接地，C5为输出耦合电容，稳压二极管D1是用来稳定集电极电源电压的。C1、C2、C3、C4和晶体管构成振荡回路，由于C3比C1和C2小很多，故晶体管与振荡回路之间的耦合很弱，从而减小了晶体管参数对回路的影响。从图5-29(b)交流等效电路可以看出，它就是前面讨论过的西勒电路，只不过是用石英晶体振荡器取代了西勒电路中的电感而已。练一练四、石英晶体振荡器电路识读1.某接收机本振电路如图5-29(a)所示是某接收机的9.5kHz本振电路，图5-29(b)为其交流等效电路。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-299.5kHz本振电路5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）2.串联型晶体振荡器实用电路。如图5-30所示为某载波机中的9kHz晶体振荡器。它也是串联型晶体振荡器，与图5-26所示电路原理基本一样。9kHz石英晶体振荡器串联在两级共发射极放大器的正反馈电路之间，而V1的负载为L1C1谐振回路，谐振在9kHz。用L1C1回路代替负载电阻可获得波形较好的正弦波。微调100pF电容可把振荡频率调到所需数值。图5-30串联型晶体振荡器5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）3.带温度补偿的晶体振荡器图5-31(a)是带温度补偿的集成晶体振荡器的内部电路。集成电路有四个引出端:+12V电源、地、频率微调电压和振荡输出电压。V1产生自激振荡经V2放大，再从射随器V3输出。振荡电路的交流等效电路如图5-31(b)所示，它是一个并联型晶体振荡器-皮尔斯振荡电路，电路中与晶体串联的微调电容采用变容二极管Cj1。当变容二极管的电容改变时，振荡器的频率便发生变化。这时若在变容二极管上施加一个随温度变化而变化的反向偏置电压，这个电压由外接直流电源(从频率微调电压引出端接入)经热敏电阻Rt1、Rt2以及其他分压电阻R1、R2、R3供给，这些电阻组成一个温度补偿网络。当温度变化时，Rt1、Rt2的变化使变容管Cj1反向偏置电压改变，随之结电容变化而引起频率改变，以补偿晶体频率的变化，这样，整个振荡器的频率受温度变化影响便大大减小，使晶体振荡器频率稳定性得到改善。5.5知识链接三石英晶体振荡器项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）图5-31带温度补偿的晶体振荡器65.6技能实训XR2206信号发生器的设计制作项目五·正弦波振荡器的制作5.6技能实训XR2206信号发生器的设计制作项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）做一做一、实训目的1.掌握XR2206信号发生器电路的工作原理。2.进一步掌握所学元器件及在此基础培养自己分析、应用其他元器件的能力。3.学会分析电路、设计电路的方法与步骤。二、实训电路1.XR2206芯片简介XR2206是一种单片函数发生器集成电路，能够产生高稳定性和高精度的高质量正弦波、方波和三角波。输出波形可以由外部电压进行振幅和频率调制，外部选择的工作频率可在0.01Hz至1MHz范围内，频率温度稳定性为20ppm/℃，表5-1介绍了XR2206的引脚功能。5.6技能实训XR2206信号发生器的设计制作项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）表5-1XR2206引脚功能____________5.6技能实训XR2206信号发生器的设计制作项目五正弦波振荡器的制作高频电子技术（第五版）3.电路原理图5-32为基于XR2206芯片设计的函数信号发生器电路，用于产生正弦波、三角波、方波信号。输出